模板静态变量

Question

我无法理解,为什么如果我们在头文件中定义普通(非模板)类的静态变量,我们有链接器错误,但是在模板的情况下一切正常,而且我们将在所有翻译单元中有单个静态变量实例:

它是模板头(template.h):

// template.h
template<typename T>
class Templ {
public:
  static int templStatic;
};

template<typename T> Templ<T>::templStatic = 0;

它是第一个使用模板的单元(unit1.cpp)

// unit1.cpp
#include "template.h"

int method1() {
  return Templ<void>::templStatic++;
}

这里的第二个单位(unit2.cpp):

// unit2.cpp
#include "template.h"
int method2() {
  return Templ<void>::templStatic++;
}

最后,main.cpp:

// main.cpp
#include <iostream>
int method1();
int method2();

int main(int argc, char** argv) {
  std::cout << method1() << std::endl;
  std::cout << method2() << std::endl;
}

在编译,链接和执行此代码后,我们将得到以下输出:

0
1

那么,为什么在模板的情况下一切正常(和预期一样)？编译器或链接器如何处理它(我们可以在分离的编译器调用中编译每个.cpp文件,然后将它们与caling链接到链接器,因此编译器和链接器不会同时"看到"所有.cpp文件)？

PS:我的编译器:msvcpp 9(但也检查了mingw)

Answer 1

这是因为静态数据成员的定义本身就是一个模板.允许这样做是必要的,原因与允许您在程序中多次不内联的功能模板一样.您需要模板来生成结果实体(例如,函数或静态数据成员).如果您不允许放置静态数据成员的定义,您将如何实例化以下内容

template<typename T>
struct F {
  static int const value;
};

template<typename T>
int const F<T>::value = sizeof(T);

目前还不知道是什么T- 标准说类模板外的定义是模板定义,其中参数是从其类模板所有者继承的.

我和GCC做了一些实验.在下文中,我们有一个隐式实例化F<float>::value,并且F<char>::value必须在.cpp文件中定义一个显式特化,以便在多次包含时不会导致重复的符号错误.

// Translation Unit 1
template<typename T>
struct F {
  static int value; 
};

template<typename T>
int F<T>::value = sizeof(T);

// this would belong into a .cpp file
template<> int F<char>::value = 2;

// this implicitly instantiates F<float>::value
int test = F<float>::value;

int main() { }

第二个转换单元仅包含同一静态数据成员的另一个隐式实例化

template<typename T>
struct F {
  static int value; 
};

template<typename T>
int F<T>::value = sizeof(T);

int test1 = F<float>::value;

以下是我们通过GCC获得的内容 - 它将每个隐式实例化变为弱符号,并将其粘贴到自己的部分中.当链接时存在多个符号时,弱符号不会导致错误.相反,链接器将选择一个实例,并丢弃其他实例,假设它们都是相同的

objdump -Ct main1.o # =>
# cut down to the important ones
00000000 l    df *ABS*  00000000 main1.cpp
0000000a l     F .text  0000001e __static_initialization_and_destruction_0(int, int)
00000000 l    d  .data._ZN1FIfE5valueE  00000000 .data._ZN1FIfE5valueE
00000028 l     F .text  0000001c global constructors keyed to _ZN1FIcE5valueE
00000000 g     O .data  00000004 F<char>::value
00000000 g     O .bss   00000004 test
00000000 g     F .text  0000000a main
00000000  w    O .data._ZN1FIfE5valueE  00000004 F<float>::value

因此,我们可以看到F<float>::value一个弱符号,这意味着链接器可以在链接时看到其中的多个.test,main并且F<char>::value是全球性的(非弱)符号.链接main1.o和main2.o在一起,我们在地图output(-Wl,-M)中看到以下内容

# (mangled name)
.data._ZN1FIfE5valueE
    0x080497ac        0x4 main1.o                                             
    0x080497ac                F<float>::value

这表明实际上除了一个实例之外它都会丢弃.